專利名稱：半導體激光器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器件。背景的說明放出紅外光的激光器件應用于環境測定等寬的領域中。在多種激光器之中，由半導體構成的量子級聯激光器件(quantum cascade lasers)小型,便利性高,能夠進行高精度的測定。量子級聯激光器件例如具有GaInAs和AlInAs交替地疊層、且包含量子阱層的活性層。另外，活性層的兩側面例如具有被InP包覆層夾持的構造。這種情況，被級聯連接的量子阱層能夠通過載流子的子帶間光學躍遷而放出波長4 10 μ m的紅外線激光光。但是，波長10 μ m以上的紅外線激光光的情況，由于InP的晶格振動(振動量子，Phonon)引起的光吸收，從活性層放出的紅外線激光光被活性層的兩側面的InP包覆層所吸收。因此，發光効率下降，得到高輸出的激光光變得困難。
發明內容
本發明提供能射出具有10 μ m以上、且18 μ m以下的波長的紅外線的半導體激光器件。實施方式的半導體激光器件具有疊層體(stacked body)和電介質層。疊層體具有包含量子阱層的活性層，設有脊形波導。并且，上述活性層具有第I區域和第2區域交替地疊層而成的級聯構造，上述第I區域是通過上述量子阱層的子帶間光學躍遷而能放出12 μ m以上、且18 μ m以下的波長的紅外線激光光的區域，上述第2區域是能緩和從上述第I區域注入的載流子的能量的區域，上述活性層能將上述紅外線激光光向上述脊形波導延伸的方向射出。在與上述脊形波導正交的截面，從兩側夾著上述疊層體的側面的至少一部分地設置電介質層。上述電介質層的光的透射率下降至50%的波長是16 μ m，上述電介質層具有比構成上述活性層的任一層的折射率還低的折射率。根據如上所述的構成，可以射出具有10 μ m以上、且18 μ m以下的波長的紅外線。
圖IA是本發明的第I實施方式所涉及的半導體激光器件的示意立體圖，圖IB是沿著A — A線切斷的部分示意截面圖。圖2是說明第I實施方式所涉及的半導體激光器件的作用的能帶圖。圖3是示出紅外線激光光的波長與AlxGa^As的Al組成比(摩爾比molefraction)X的依存性的曲線圖。
圖4是示出InP的吸收波譜的曲線圖。圖5是表示電介質材 料的透射率(transmittance)與波數及波長的依存性的曲線圖。圖6A 圖6E是第I實施方式所涉及的半導體激光器件的制造方法之中到形成脊形波導(ridge waveguide)為止的工序截面圖。圖7A 圖7D是第I實施方式的半導體激光器件的制造方法的工序截面圖之中到形成電極為止的工序截面圖。圖8A是第I變形例所涉及的半導體激光器件的示意截面圖，圖SB是第2變形例所涉及的半導體激光器件的示意截面圖。圖9是增益與波導損耗的依存性的曲線圖。圖10是第2實施方式所涉及的半導體激光器件的示意截面圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。圖IA是對本發明的第I實施方式所涉及的半導體激光器件進行部分切斷而成的示意立體圖，圖IB是沿著A — A線的示意截面圖。半導體激光器件至少具有基板10、設置在基板10之上的疊層體20和電介質層40。在圖IA中，還具有第I電極50、第2電極52和絕緣膜42。疊層體20具有第I包覆層22、第I導引層23、活性層24、第2導引層25和第2包覆層28。第I包覆層22的折射率和第2包覆層28的折射率，比第I導引層23、活性層24及第2導引層25的折射率之中的任一個都低，在活性層24的疊層方向上適當地關閉紅外線激光光60。并且，可以將第I導引層23和第I包覆層22合稱為包覆層。并且，可以將第2導引層25和第2包覆層28合稱為包覆層。并且，疊層體20具有條紋的形狀，可以稱作脊形波導RG。若脊形波導RG的2個端面為鏡面，則被誘導放出的光作為紅外線激光光62而從光射出面放出。這種情況，光軸62定義為把將鏡面作為共振面的光共振器的截面的中心連結起來的線。即，光軸62與脊形波導RG的延伸的方向一致。在垂直于光軸62的截面，若與活性層24的第I面24a、第2面24b平行的方向的寬度WA過寬，則在水平橫向上產生高次模，成為高輸出是困難的。若活性層24的寬度WA例如為5 20 μ m等，則水平橫向模的控制變得容易。若電介質層40的折射率比構成活性層24的任一層的折射率還低，則可以通過夾著疊層體20的側面20a、20b而設置的電介質層40，沿著光軸62構成脊形波導RG。圖2是說明第I實施方式所涉及的半導體激光器件的作用的能帶圖。活性層24具有第I區域25和第2區域26交替地疊層而成的級聯構造。第I區域25通過量子阱層72的子帶間光學躍遷，能放出例如12 μ m以上、18 μ m以下的波長的紅外線激光光60。并且，第2區域26能緩和從第I區域25注入的載流子(例如電子)70的能量。在量子阱層72，若使阱層的厚度WT例如為幾nm以下這樣小，則能量能級離散，產生子帶72a (高能級Lu)、子帶72b (低能級LI)等。從注入勢魚層73注入的電子70可以有效地關閉在量子阱層72中。載流子從高能級Lu向低能級LI躍遷的情況下，放出與能量差(Lu - LI)相對應的光(h)(光學躍遷)。并且，量子阱層72具有波動函數重合的多個阱，具有共通的能級Lu及LI也可以。子帶間躍遷發生于導帯及價帯之一。即，不需要pn結的空穴和電子的復合，僅通過任一載流子的光學躍遷而發光。本圖的情況，疊層體20通過施加在第I電極50和第2電極52之間的電圧，經由注入勢壘層73將電子70注入量子阱層72，發生子帶間躍遷。第2區域26具有多個子帶(也稱作微帶)。優選子帶的能量差小，接近連續能量能帶。其結果，由于電子的能量被緩和，所以在第2區域26中，不產生12 18 μ m的波長的紅外線激光光。第I區域25的低能級LI的電子通過抽出勢壘層74，向第2區域26注入，被緩和，而向被級聯連接的下一級的第I區域25注入(電子70)，產生下一光學躍遷。S卩，在級聯構造中，電子70在單位構造27內分別進行光學躍遷，在活性層24整體，取出高的光輸出變得容易。·
在第I實施方式中，量子阱層72可以包含GaAs，勢壘層可以為包含AlxGahAs (O< X < I)的層。這種情況，若使基板10為GaAs，則與量子阱層及勢壘層的晶格匹配能良好。第I包覆層22及第2包覆層28通過進行Si摻雜，例如可以具有6 X IO18CnT3的η型雜質濃度，例如為I μ m的厚度。并且，第I導引層23及第2導引層25通過進行Si摻雜，例如可以具有4X IO16CnT3的η型雜質濃度，為3. 5 μ m的厚度。并且，活性層24的寬度WA可以為14 μ m,脊形波導RG的長度L可以為3mm等。對單位構造27進行50級的級聯連接而成的活性層24，例如厚度為2 μ m等，其中，單位構造27是將勢壘層的Al組成比X設為O. 32，將由GaAs構成的量子阱層72的阱層的厚度WT例如設為2 6nm而能將電子有效地關閉在量子阱層72而成的。根據實驗，通過第I電極50和第2電極52施加了 33. 5kV/cm的電場時，可以得到波長為16±0. 3μπι的紅外線激光光。圖3是示出紅外線激光光的波長與AlxGahAs的Al組成比χ的依存性的曲線圖。根據實驗，已經判明Al組成比χ為O. 25的情況下，波長是17. 7 ± O. 3 μ m，Al組成比為O. 47的情況下，波長是12. 3±0. 3μπι。S卩，如圖3中虛線所示，通過改變Al組成比X，可以得到波長為12 18 μ m的要求波長范圍的紅外線激光光。并且，也可以使基板10由InP (折射率2. 50)構成，使第I及第2包覆層22、28由InP (折射率:3. 089)構成。即，若使活性層24為包含InAlAs及InGaAs的層，并控制量子阱層72的阱的厚度WT，則可以得到波長為12 μ m以上、18 μ m以下的范圍的紅外線激光光。在環境測定等中，要求12 18 μ m的紅外線激光光的情形較多。即使這種情況，例如，使用喇曼激光器件(Raman laser)對來自碳酸氣體激光等波長10 μ m的紅外線激光光進行波長變換也可以得到12 μ m以上的紅外線激光光。但是，激光器件為復雜的構成，大型化。與之相對，量子級聯激光器件是半導體激光，小型化是容易的。圖4是示出InP的吸收波譜的曲線圖。縱軸是光的吸收率0 對值)，橫軸是光的波數(cnT1)。InP的情況下，在波長16 μ m(波數628(3!^1)的附近，有振動量子的吸收峰。另外，從活性層24放射出的光的波長為16 μ m的情況下，如果將包括第I及第2包覆層22、28、活性層24在內的疊層體20的側面20a、20b夾著的層是InP，那么吸收從活性層24放射的光的一部分。因此，在放射12 18 μ m的波長范圍的紅外線激光光的半導體激光器件中，將活性層24的側面夾著的電介質層40，優選具有比針對16 μ m以上的波長的、InP的透射率還高的透射率。圖5是表示電介質材料的透射率與波數(wave number)的依存性的曲線圖。縱軸是透射率(％)，橫軸是波數(cm-1)或波長(cm)。透射率能使用分光光度計等來測定。在本實施方式中，使用電介質的透射率(％)下降至50%的波長為16 μ m以上的材料。并且，在圖3中，大多數材料的透射率的最大值不到100%。在本說明書中，所謂“透射率下降至50%的波長”，不意味著透射率下降至該最大值的二分之一的波長，而意味著使用“光度計(photometer)等測定出的透射率下降至50%的波長”。若使用透射率下降至50%的波長為16μπι以上的電介質材料，則可以抑制波長為12μπι以上的紅外線激光光被吸收，得到高的輸出變得容易。作為這樣的材料，可以使用 KBr(折射率1. 5),KRS — 5(溴碘化鉈，折射率2. 36),KRS — 6(溴氯化鉈，折射率2. 14))、NaCUKCl (折射率1. 49)、金剛石(折射率2. 4)、ZnSe (折射率2. 4)等。并且，根據發明人等的實驗，判明也可以使用CdTe、AgBr、AgCl等。通過將這樣的電介質層40設置在疊層體20的側面20a、20b的一部分的兩側，可以容易地一邊抑制紅外線激光光的吸收一邊控制水平橫向模。若使電介質層40為基于外延生長的單結晶材料，則可以使光學特性更穩定。這種情況下，KRS - 5, KRS - 6、金剛石、ZnSe、CdTe等，單結晶化是容易的。這種情況下，例如，GaAs的折射率是3. 62，Ala35Gaa65As的折射率是3. 47。并且，InGaAs、AlInAs的折射率在3. 2 3. 43之間。S卩，電介質層40的折射率比構成活性層24的任一層的折射率還低，紅外線激光光的水平橫向模的控制容易。圖6A 圖6E是第I實施方式所涉及的半導體激光器件的制造方法之中到形成脊形波導的工序截面圖。基板10由η型GaAs構成。像圖6Α那樣，在基板10的第I面10a，例如結晶生長由η型GaAs構成的第I包覆層22、由η型GaAs構成的第I導引層23、活性層24、由η型GaAs構成的第2導引層25、由η型GaAs構成的第2包覆28。并且，第I導引層23及第2導引層25可以省略。結晶生長法例如可以使用MBE (Molecular Beam Epitaxy)法、MOCVD(Metal ganic Chemical Vapor Deposition)法。在本實施方式中，可以使脊形波導RG的端面為鏡面，為法布里-珀羅(Fabry-Perot)型光共振器。或者，也可以像圖6B那樣，在第2包覆層28等的表面，設置衍射晶格29。衍射晶格29如下設置在光共振器的光軸方向上，凹凸的節距例如為介質內波長的二分之一波長。這樣一來，為分布式反饋(DFB :Distributed Feedback)型、分布式布拉格反射(DBR :Distrbuted Blagg Reflector)型構造,可以為動態的單一模振蕩(dynamicsingle mode oscillation)。再者,像圖6C那樣,在第2包覆層28的表面形成SiO2這樣的絕緣膜30。接著，如圖6D那樣，在成為脊形波導RG的區域，將光致抗蝕劑70構圖形成為條紋狀。將構圖形成的光致抗蝕劑70作為掩膜,使用RIE (Reactive Ion Etching)法等來蝕刻疊層體20，形成脊形波導RG。進而除去絕緣膜30。圖7A 圖7D是第I實施方式的半導體激光器件的制造方法之中到形成電極為止的工序截面圖。如圖7A那樣，以覆蓋疊層體20的脊形波導RG的方式，使用激光燒蝕、濺射、蒸鍍等形成電介質層40。進而，在其上，形成SiN (包括Si3N4)、5丨02等絕緣膜(鈍化膜)42。電介質層40的材料，在16 μ m以上的波長，光的透射率為50%以上，例如，可以為KBr、ZnSe,NaCl、KC1、KRS 一 5、KRS 一 6、金剛石等。并且，雖然NaCl、KCl具有潮解性，但通過設置鈍化膜42可以穩定地確保膜質。形成衍射晶格(diffraction grating)的情況,如圖7B那樣,在衍 射晶格29的上表面，以電介質層40露出的方式，在鈍化膜42中設置開口部42a。接著，如圖7C那樣，除去電介質層40，露出疊層體20的上部的衍射晶格29。接著，如圖7D那樣，在鈍化膜42及露出的脊形波導RG的表面RS形成第I電極50。并且，在脊形波導RG的一個端面設置低反射膜作為光射出面，在另一端面設置高反射膜作為光反射面時，取出高輸出變得容易。圖8A是第I實施方式的第I變形例所涉及的半導體激光器件的示意截面圖，圖SB是該第2變形例所涉及的半導體激光器件的示意截面圖。脊形波導RG不被設置在疊層體20的整體也可以。在圖8A中，將第2包覆層28的一部分28a作為脊形波導RG。S卩，使第2包覆層28的上方的一部分28a為臺形截面。電介質層40設置成覆蓋臺側面28b及臺非形成區域的表面28c。并且，在圖SB中，使活性層24、第2導引層25及第2包覆層28為脊形波導RG。即，使活性層24、第2導引層25及第2包覆層28為臺形截面。電介質層40設置成覆蓋臺側面及臺側面的兩側的第I導引層23。即使如圖8A、圖SB那樣，也可以控制水平橫向模。并且，若在第I電極50之上，設置包含厚的Au膜的電極51，則鍵合容易。圖9是表示增益與波導損耗的依存性的曲線圖。縱軸是增益(I /cm )，橫軸是波導損耗(I /m )。若設置在脊形波導RG的側面、控制水平橫向模的電介質40吸收紅外線激光光，則產生波導損耗(Ι/m)。另一方面，伴隨著流到活性層24的電流增加，波導增益增加。在激光振蕩中，增益提高波導損耗是必要的，激光振蕩所需要的動作電流為InP、GaAs、電介質材料的順序。若動作電流高，則內部的發熱量變大，產生連續動作變得困難、元件的劣化變早等問題。在本實施方式中，通過在活性層24的兩側面設置電介質層40，可以實現連續動作容易且壽命長的半導體激光器件。圖10是第2實施方式所涉及的半導體激光器件的示意截面圖。在第2實施方式中，活性層24的寬度WA和設置在活性層24的兩側面且與基板10的表面平行的電介質層40的長度之和W2，小于活性層24的厚度T2。這樣一來，可以減少從活性層24朝向基板10的光，相對地增加從活性層24朝向其兩側面的電介質層40的光。因此，可以減少基板10的光吸收。本實施方式在基板10的光吸收大的InP等的情況下，抑制光輸出的降低是容易的。根據第I實施方式及隨其所附的第I及第2變形例和第2實施方式，可以提供能射出具有12 18 μ m的波長范圍的紅外線激光光的半導體激光器件。這樣的紅外線激光光能被特定物質吸收，所以能應用于環境測定等。并且，半導體激光器件與碳酸氣體激光器件、喇曼激光器件等相比較，容易小型化。
雖然說明了本發明的幾個實施方式，但這些實施方式是作為例子而提示的，無意限定發明的范圍。這些新的實施方式，能夠用其他各種方式來實施，在不超出發明的要旨的范圍內，可以進行各種省略、置換、變更。這些實施方式或其變形，都包含在發明的范圍、要旨之內，而且包含在權利要求書所記載的發明·及其等同的范圍內。
權利要求
1.一種半導體激光器件,其特征在于,具備 疊層體，具有包含量子阱層的活性層，并設有脊形波導，上述活性層具有交替地疊層了第I區域和第2區域的級聯構造，上述第I區域通過上述量子阱層的子帶間光學躍遷而能放出12 μ m以上且18 μ m以下的波長的紅外線激光光，上述第2區域能緩和從上述第I區域注入的載流子的能量，上述疊層體能將上述紅外線激光光向上述脊形波導延伸的方向射出；及 電介質層，在與上述脊形波導正交的截面，從兩側夾著上述疊層體的側面的至少一部分而設置，光的透射率下降至50%的波長在16 μ m以上，具有比構成上述活性層的任一層的折射率還低的折射率。
2.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 還具備基板和第I電極，上述基板具有設置著上述疊層體的第I面，第I電極與上述脊形波導連接。
3.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 還具備對上述電介質層的表面進行覆蓋的絕緣膜。
4.根據權利要求I記載的半導體激光器件,其中， 上述第2區域具有多個微帶。
5.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 在上述第I區域和上述第2區域之間，設有抽出勢壘層， 在上述第2區域和上述第I區域之間，設有注入勢壘層。
6.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 在上述疊層體，沿著上述脊形波導延伸的上述方向設有衍射晶格。
7.根據權利要求6記載的半導體激光器件，其中， 上述衍射晶格的節距是介質內波長的二分之一。
8.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 上述脊形波導具有第I端面和成為與上述第I端面相反一側的第2端面，在上述第I端面設有第I反射膜，在上述第2端面設有具有比上述第I反射膜的反射率還高的反射率的第2反射膜。
9.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 上述載流子是電子。
10.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 上述基板由GaAs及InP之一構成。
11.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 上述電介質層包含溴碘化鉈、溴氯化鉈、ZnSe, CdTe, NaCl, KC1、KBr, AgBr, AgCl、金剛石之中的任一個。
12.根據權利要求11記載的半導體激光器件，其中， 上述電介質層是單結晶材料。
13.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中， 上述活性層包含GaAs及AlxGapxAs，其中，O < x < I。
14.根據權利要求I記載的半導體激光器件，其中，上述活性層包含 Iny Gan As 及 AlzIrvzAs,其中，O < y < 1，0 < z < I。
15.一種半導體激光器件，其特征在于，具備 第I基板，具有第I面； 疊層體，設置在上述第I面，具有包含量子阱層的活性層，并設有脊形波導，上述活性層具有交替地疊層了第I區域和第2區域的級聯構造，上述第I區域通過上述量子阱層的子帶間光學躍遷而能放出12 μ m以上且18 μ m以下的波長的紅外線激光光，上述第2區域能緩和從上述第I區域注入的載流子的能量，上述疊層體能將上述紅外線激光光向上述脊形波導延伸的方向射出； 電介質層，在與上述脊形波導正交的截面，從兩側夾著上述疊層體的側面的至少一部分而設置，光的透射率下降至50%的波長是16 μ m，具有比構成上述活性層的任一層的折射率還低的折射率 '及 第I電極，與上述脊形波導連接； 上述脊形波導選擇性地設置在上述疊層體之中的上述第I電極側。
16.根據權利要求15記載的半導體激光器件，其中， 上述活性層包含于上述脊形波導。
17.根據權利要求15記載的半導體激光器件，其中， 上述脊形波導的側面向上述基板擴寬。
18.根據權利要求15記載的半導體激光器件，其中， 上述第2區域具有多個微帶。
19.一種半導體激光器件，其特征在于，具備 第I基板，具有第I面； 疊層體，設置在上述第I面，具有包含量子阱層的活性層，并設有脊形波導，上述活性層具有交替地疊層了第I區域和第2區域的級聯構造，上述第I區域通過上述量子阱層的子帶間光學躍遷而能放出12 μ m以上且18 μ m以下的波長的紅外線激光光，上述第2區域能緩和從上述第I區域注入的載流子的能量，上述疊層體能將上述紅外線激光光向上述脊形波導延伸的方向射出； 電介質層，在與上述脊形波導正交的截面，從兩側夾著上述疊層體的側面的至少一部分而設置，光的透射率下降至50%的波長是16 μ m，具有比構成上述活性層的任一層的折射率還低的折射率 '及 第I電極，與上述脊形波導連接； 在上述截面，與在分別與上述第I面垂直的上述活性層的2個側面設置的上述電介質層的上述第I面平行的長度和上述活性層的寬度之和，比上述活性層的厚度還小。
20.根據權利要求19記載的半導體激光器件，其中， 上述第2區域具有多個微帶。
全文摘要
本發明的半導體激光器件具有疊層體和電介質層。疊層體具有包含量子阱層的活性層，設有脊形波導。并且，上述活性層具有通過上述量子阱層的子帶間光學躍遷而能放出12μm以上且18μm以下的波長的紅外線激光光的第1區域、與能緩和從上述第1區域注入的載流子的能量的第2區域交替地疊層而成的級聯構造，在上述脊形波導延伸的方向上能射出上述紅外線激光光。電介質層設置為在與上述脊形波導正交的截面，從兩側夾著上述疊層體的側面的至少一部分。電介質層的光的透射率下降至50%的波長是16μm，具有比構成上述活性層的任一層的折射率還低的折射率。
文檔編號H01S5/22GK102916344SQ201210276138
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月3日 優先權日2011年8月3日
發明者高木茂行, 藪原秀彥, 前川陽, 藤井孝佳, 鹽見康友 申請人:株式會社東芝